2008年10月20日星期一

極光的形成原因


極光的產生過程與霓虹燈管發光的原理相似。

霓虹燈管內,藉著兩極的電壓差將電子加速,然後將管內稀薄氣體撞擊而發光。來自上空的高速電子撞擊電離層中的原子、分子、或離子,把它們打成激發態(通常必須是一個高能階的準穩定態),等一段時間後(【生命期】),它們會自動的跳回基礎態(或較低能階的準穩定態),放出一定波長的光,這就是極光。

造成極光的的高速電子,打哪兒來的呢?
(早期錯誤的看法,以為直接來自太陽的電子束!)

造成擴散極光的高速電子來自內磁層:
內磁層中,原來沿磁場線來回彈跳的高能電子,被擾動的電場與磁場散射後,無法繼續來回彈跳而落入電離層中,並與電離層中的氫原子碰撞發出紅光。由於這些電子一個一個落下來,好像下毛毛雨一般。因此所產生的極光也像毛毛雨弄溼地面一般,呈現相當均勻的分布。

造成分立極光的高速電子來自磁尾電漿片或磁層頂:
造成分立極光的高速電子成因可能不只一種,以下只是提出其中一種,做詳細的說明。

磁副暴是一種強烈的磁場擾動。主要的擾動發生在磁尾、以及高緯的電離層與地表。當磁副暴發生時,磁尾的磁場發生變形,會將電漿片中的熱電漿擠出來,灌入電離層。
當來自磁尾電漿片的熱電漿,到達電離層上空時,會自行形成一組U型的等電位分布,其中,越內層的U型等電位面,電位越低。

也就是說: 在U型結構的中央處,形成了一個沿磁場方向,方向向上的「場向電場」。
在U型結構的兩側,形成了一個垂直磁場方向輻合形式的電場分布。
因此,位在U型結構中央處的電漿中的電子,就會被此向上的「場向電場」所加速,高速的打入電離層。

當地球磁層外面太陽風中的磁場方向,具有南向分量時(與地球磁場方向相反時),地球的磁層頂,也成了一個帶有很強電流的電漿片。這樣的磁場與電流分布,很不穩定,也會造成強烈的磁場擾動(例如:「磁場線重聯」)。當來自磁層頂電漿片的熱電漿,到達電離層上空時,也會造成「場向電場」,並加速電子。

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